李存東
中國科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院
培養(yǎng)單位:中國科學(xué)院物理研究所
今天，2023 年 8 月 24 日，日本政府原定將要正式向太平洋排放核污水，這對全人類來說都是一場災(zāi)難，日本政府公然向全世界轉(zhuǎn)嫁核污染風(fēng)險，將一己私利凌駕于全人類長遠(yuǎn)福祉之上，此舉極端自私極不負(fù)責(zé)任！
應(yīng)該說，福島核事故起源于天災(zāi)，但發(fā)展到今天卻更多地來自于人禍，但核電，作為一種綠色穩(wěn)定的清潔能源技術(shù)，可以說是未來我們走向星辰大海必須要點的科技樹了。因此，大家也絕不能因噎廢食，不能談“核”色變。
核電站事故大家其實見的也不少了，前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站的事故、美國三哩島核事故、福島核電站事故都?xì)v歷在目。核電站要是出了事故，會產(chǎn)生大量含有輻射的核污染物，例如核廢水，會給人類社會帶來巨大災(zāi)難。這些核污染物目前還沒有很好的辦法處理，一般通過深埋等待其自行衰變。但我們應(yīng)該看到，核電站的發(fā)展也是突飛猛進(jìn)的。這不，更安全的四代核電站馬上就要來了。
目前世界各國都在大力發(fā)展更安全的四代核電站技術(shù)，這不，我前兩天去百度查文(魚)獻(xiàn)時，就吃了一鯨，我國核電站技術(shù)都已經(jīng)到這一地步了？
至于為啥吃驚，還請容我賣個關(guān)子先。
怎么就第四代了
說起四代核電，一個首當(dāng)其沖的問題就是，啥是四代核電，這咋就第四代了，前三代是啥，是不是快要核聚變了？
別著急，其實四代核電還是核裂變，而且距離核聚變還有相當(dāng)距離。
四代核電的概念是由美國人提出來的。1999 年，美國能源部首先提出四代核電的倡議，后來又組織了由阿根廷、巴西、加拿大、法國、日本、韓國、南非、英國和美國九個國家的高級政府代表會議，就四代核電展開了討論，并達(dá)成共識:世界需要發(fā)展核電，但現(xiàn)有的三代核電技術(shù)還需要改進(jìn)，而新的核電技術(shù)必須要提高經(jīng)濟性和安全性，減少核廢物，防止核擴散，新的核電技術(shù)要同核燃料循環(huán)統(tǒng)一考慮。
其實，核電技術(shù)的代際升級可能并沒有大家想得那么大，簡單來說，第一代核電技術(shù)就是早期的原型堆電站，也就是上世紀(jì)五十年代到六十年代早期開發(fā)的輕水堆核電站；第二代核電站就是六十年代后期到九十年代前期開發(fā)的大型商用核電站；至于第三代核電站指的是更先進(jìn)的輕水堆核電站，這些核電站采用標(biāo)準(zhǔn)化、最佳化設(shè)計和安全性高的非能動安全系統(tǒng)。
而第四代核電站的主要開發(fā)目標(biāo)主要有:核能的可持續(xù)發(fā)展，即通過對核燃料的有效利用，實現(xiàn)提供持續(xù)能源，并實現(xiàn)核廢物的最少化；提高安全性和可靠性，大幅度降低堆芯損傷的概率集成度，并具有快速恢復(fù)反應(yīng)堆運行的能力，取消在廠址外采取應(yīng)急措施的必要性；提高經(jīng)濟性以及防止核擴散。
也就是說，安全性提升是四代核電的主要特征之一。我們重點看一下安全性方面。第四代核電站應(yīng)該能證明不會發(fā)生堆芯的嚴(yán)重?fù)p壞，并確保不會由超標(biāo)的廠外釋放，不需要廠外響應(yīng)。也就是說，即便遇上地震、海嘯、颶風(fēng)等自然災(zāi)害，四代核電站應(yīng)該也能保證其安全性，即堆芯不會發(fā)生嚴(yán)重?fù)p害且不會有含輻射物質(zhì)泄漏。
至于四代核電的反應(yīng)堆類型，其實有六種備選方案。分別是:氣冷快堆；鉛合金液金冷卻快堆；熔鹽反應(yīng)堆；液態(tài)鈉冷卻快堆；超高溫氣冷堆和超臨界水冷堆。這六種都可以看作是四代堆，但顯然，這其中，有三種是快堆，另外三種則不是，看起來，核電的代際劃分標(biāo)準(zhǔn)還是很有特色的(bushi
至于不知道什么是快堆的童鞋，去找高中物理老師補課！
在這六種四代堆中，我國或多或少都有過研究，其中一些已經(jīng)取得世界領(lǐng)先地位。篇幅所限，我們這一次主要講講超高溫氣冷堆和熔鹽反應(yīng)堆。至于其他的，有時間再聊。
超高溫氣冷堆
有關(guān)核電站是怎么燒開水的，我們之前發(fā)過一篇文章已經(jīng)講過了:核電，一種更花式的燒開水方式
寫得真好，可惜不是我寫的。這里面不僅講了核電站的原理，還講了我們現(xiàn)在主要建設(shè)的落后的壓水堆和沸水堆，可謂是前人之述備矣，我就不贅述了，省了我很多工作。
上圖就是超高溫氣冷堆的原理示意圖，球床堆芯就是核反應(yīng)發(fā)生的地方，卸料管可以及時清除反應(yīng)過后的乏燃料，保證不停堆加燃料，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量在蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，emmm，就還是燒開水，得到的蒸汽在常規(guī)島循環(huán)發(fā)電。
VHTR 是上世紀(jì)開發(fā)的高溫反應(yīng)堆的衍生物，顯著特征是全陶瓷包覆顆粒燃料。它被譽為“永遠(yuǎn)不會熔毀的反應(yīng)堆”，即使遇上 9 級地震，并引發(fā)劇烈海嘯，也不可能出現(xiàn)堆芯熱量無法散失以致堆芯融化的情況，不會出現(xiàn)核泄漏，十分安全。
我國建造了世界首個商業(yè)規(guī)模的超高溫氣冷堆 —— 石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程 —— 已經(jīng)在去年并網(wǎng)發(fā)電，這是全球首個并網(wǎng)發(fā)電的第四代高溫氣冷堆核電項目，標(biāo)志我國在這一先進(jìn)核能技術(shù)領(lǐng)域取得世界領(lǐng)先地位。
我國的超高溫氣冷堆采用球狀堆芯，其核燃料元件是耐高溫全陶瓷包覆顆粒燃料球，直徑 6 厘米，最外層是石墨層，里面是基體石墨粉，這就是核反應(yīng)的慢化劑，石墨粉中分散著 12000 個四層全陶瓷材料包覆的、直徑 0.9mm 的核燃料顆粒。
至于其不會熔毀的秘密就在于這顆石墨球，這顆燃料元件在 1650℃的高溫條件仍能有效阻擋放射性的泄露，而設(shè)計表明，即使遇到極端事故，堆內(nèi)溫度也不可能達(dá)到這個溫度。因此超高溫氣冷堆具有非常高的安全性。
除了固有安全性高，超高溫氣冷堆的發(fā)電效率更高；其堆芯出口的工作溫度高，可以在不產(chǎn)生二氧化碳的情況下制氫；高溫還可以向工業(yè)領(lǐng)域供熱，用于石油化工、煤氣化等領(lǐng)域。
熔鹽堆
現(xiàn)在回收文章開頭，那個令我振奮的消息就是:我國釷基熔鹽堆實驗堆開始試運行了。
我們還是先說熔鹽堆。在四代堆的六種候選堆型中，熔鹽堆 是唯一一種液態(tài)燃料反應(yīng)堆。熔鹽堆使用的冷卻劑是熔融鹽，一般是氟鹽，它一般也是核燃料的載體，燃料就溶于氟鹽中。其采用的燃料一般是鈾或釷的氟化鹽?，F(xiàn)在也發(fā)展出了固態(tài)燃料熔鹽堆的概念，僅將氟化熔鹽作為冷卻劑傳輸熱量，采用碳化硅密封、石墨包敷的燃料顆粒作為核燃料。
熔鹽堆的核反應(yīng)就在左側(cè)進(jìn)行，下方的冷凍塞及應(yīng)急儲存罐是反應(yīng)堆安全性的重要保障。以熱交換器為界限，左側(cè)為核島，右側(cè)是常規(guī)島，反應(yīng)釋放的熱量由冷卻鹽吸收，并被用于在常規(guī)島加熱產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電。所以，雖然常規(guī)島還是在燒開水，不過核島算是在燒鹽？
熔鹽堆的固有安全性顯而易見。熔鹽堆的燃料本身就是融化的，根本就不存在堆芯熔化的問題；熔鹽的低蒸氣壓減少了破口事故的發(fā)生，即便發(fā)生破口事故，熔鹽在環(huán)境溫度下也會迅速凝固，防止事故進(jìn)一步擴即便出現(xiàn)破口事故；而當(dāng)堆芯溫度上升超過預(yù)警值時，底部的冷凍塞可以自動融化，熔鹽會流入應(yīng)急罐并冷卻，不會造成核污染。
熔鹽堆可以使用釷基核燃料。釷基核燃料的儲量高于鈾基核燃料，同時釷基核能不易用于制造武器，更適合做民用用途。
除了安全之外，熔鹽堆可以更有效地利用核資源并防止核擴散。熔鹽堆不挑燃料，可以直接利用鈾、钚和釷等所有核燃料，而不用特別處理，甚至可以利用核武器拆解得到的钚。其產(chǎn)物中只有極少的钚，可以防止核擴散。
熔鹽堆的熱功率密度高，可以小型化模塊化設(shè)計。運行中無需控制棒，可以不停堆換料，壽命長，功率易調(diào)。
熔鹽堆可以運行在高溫下，同樣可以用于制氫、制氨、煤氣化等工業(yè)領(lǐng)域。
熔鹽堆可以建造在地下，對水沒有需求，因此可以建造在內(nèi)陸干旱地區(qū)。熔鹽常溫時為固態(tài)，不會因泄漏而導(dǎo)致大量的核污染，對生物圈和地下水位的防護沒有那么嚴(yán)苛，可以建造在地下，地下建造也可以更好地保護核電站。熔鹽堆核島不需要冷卻水，因此可以建造在干旱無水的地區(qū)。
核電作為典型的清潔能源，環(huán)保無污染，輸出又穩(wěn)定，是目前最理想的發(fā)電方式之一。大力發(fā)展核電，不僅可以讓我們獲得更廉價的能源，也有助我們早日實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)。因此，中國是世界上核電在建裝機容量最大的國家。而核電的發(fā)展也是突飛猛進(jìn)，經(jīng)濟性，安全性都得到了顯著提升。相信我們未來，會用上更多更好更安全更便宜的核電。
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國家最高科技獎出爐，你還不知道高溫氣冷堆是咋回事？
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胡春玫.熔鹽堆的“文藝復(fù)興”(J).中國核工業(yè)，2018 (02):26-28.
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